公路橋梁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)與施工技術(shù)分析

李燕華、范見榮

（1.撫州贛東公路設(shè)計(jì)院有限公司，江西 撫州344000；2.江西軼通建設(shè)工程有限公司，江西 撫州344000）

0 引言

在公路橋梁項(xiàng)目中，橋梁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案與施工技術(shù)管理對(duì)于工程項(xiàng)目施工有著重要影響。根據(jù)現(xiàn)有工程項(xiàng)目的經(jīng)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，橋梁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案應(yīng)考慮地區(qū)的實(shí)際情況，在嚴(yán)格遵守工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)規(guī)范的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步完善設(shè)計(jì)流程，這樣才能最大限度上消除質(zhì)量缺陷，為提升公路橋梁性能奠定基礎(chǔ)。

1 公路橋梁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案分析

1.1 工程概況

某公路橋梁的總長(zhǎng)度約為250m，橋梁寬度35m，根據(jù)橋梁早期的地質(zhì)勘探結(jié)果顯示當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，地球物理勘探發(fā)現(xiàn)斷裂帶等問題。根據(jù)相關(guān)資料，查閱可知當(dāng)?shù)氐卣鹆叶葹棰龆?，但是?xiàng)目所在地的地下水源豐富，尤其是潛水較多，對(duì)公路橋梁設(shè)計(jì)的影響較為明顯。同時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)勘查發(fā)現(xiàn)河床上層土壤中包含大量的卵礫石以及砂粉等，下層則存在大量的泥質(zhì)粉砂巖材質(zhì)。在工程項(xiàng)目施工中為滿足技術(shù)規(guī)范要求，公路橋梁的結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，對(duì)施工方案設(shè)計(jì)與施工技術(shù)質(zhì)量管理的要求較高。

案例橋梁項(xiàng)目的基坑位于河道與周邊地區(qū)，基坑兩側(cè)的高差較大，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況將基坑劃分為Ⅰ～Ⅵ幾種類型，其詳細(xì)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 基坑區(qū)劃分方案

1.2 墩柱設(shè)計(jì)

在案例項(xiàng)目墩柱設(shè)計(jì)過程中，結(jié)合實(shí)際工況以及地震作用的影響，設(shè)計(jì)墩柱尺寸為1.5m×3.0m，采用雙層配筋的方法，設(shè)置縱筋配筋率2.8%；設(shè)計(jì)中鋼筋直徑達(dá)到了32mm。該項(xiàng)目中鋼筋規(guī)格型號(hào)為HRB335。在設(shè)計(jì)方案中，鉆孔灌注樁抗彎主要受樁頂部截面順橋向內(nèi)力控制，最終驗(yàn)算結(jié)果顯示，墩柱與樁抗彎的相關(guān)數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 墩柱與樁抗彎能力驗(yàn)算結(jié)果

根據(jù)表2的相關(guān)數(shù)據(jù)中可以發(fā)現(xiàn)，在案例橋梁的墩柱截面在不同方向上的彎矩明顯小于初始屈服彎矩，確保墩柱在彈性工作范圍內(nèi)，即使地震發(fā)生也能維持整個(gè)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，具有可行性。

1.3 樁設(shè)計(jì)

從設(shè)計(jì)的角度來看，應(yīng)根據(jù)樁基極限承載力、豎向承載力、抗震及樁身結(jié)構(gòu)等數(shù)據(jù)判斷單樁荷載等相關(guān)數(shù)據(jù)，根據(jù)該結(jié)果可以計(jì)算樁徑、樁長(zhǎng)等資料，在保證橋梁主體結(jié)構(gòu)安全平穩(wěn)的基礎(chǔ)上，計(jì)算出最終的樁基長(zhǎng)度與直徑。同時(shí)，在設(shè)計(jì)方案中還需要考慮到樁基設(shè)計(jì)中可能出現(xiàn)的問題，如黏土、軟土等可能因?yàn)橛晁蛎浀痊F(xiàn)象影響施工參數(shù)。在摩擦樁設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員也要主動(dòng)避免擴(kuò)徑等質(zhì)量問題發(fā)生。所以在樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中，根據(jù)相關(guān)規(guī)范，摩擦單樁軸向受壓容許承載力P可以按照公式（1）的相關(guān)方法進(jìn)行驗(yàn)算。

式（1）中：U為樁的截面周長(zhǎng)，單位為“m”；A為樁截面的面積，單位為“m”；l為樁在局部沖刷線以下的有效長(zhǎng)度，其單位為“m”；τ為樁壁土的極限摩阻力，單位為“kPa”；σ為樁間土的極限承載力水平，其單位為“kPa”。

結(jié)合工程案例實(shí)際情況，該項(xiàng)目中使用“16+25+40+25”m的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱模式，在箱梁橋梁設(shè)計(jì)中使用單箱雙室的直腹式結(jié)構(gòu)，其中頂板寬度達(dá)到了12.4m，底板的寬度為8.0m，翼緣懸臂長(zhǎng)度為2.2m；結(jié)構(gòu)中跨中兩箱頂板厚度為25cm，腹板的厚度為35cm，底板的厚度為22cm；為滿足建筑物抗剪設(shè)計(jì)的性能要求，該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中將底板厚度增加10cm，頂板厚度則提升至45cm，腹板厚度提升至50cm。

1.4 伸縮縫的選型

根據(jù)相關(guān)規(guī)定，在公路橋梁設(shè)計(jì)中應(yīng)確保相鄰上部結(jié)構(gòu)之間有充足的間隙，因此在案例工程項(xiàng)目中可依照減隔震支座變形監(jiān)測(cè)結(jié)果展開伸縮縫選型設(shè)計(jì)，最終計(jì)算結(jié)果顯示，案例橋梁項(xiàng)目中采用12cm型號(hào)的伸縮縫結(jié)構(gòu)。

1.5 減隔震裝置設(shè)計(jì)方案

為進(jìn)一步增強(qiáng)公路橋梁的抗震性能，在案例橋梁項(xiàng)目設(shè)計(jì)中將優(yōu)選減隔震裝置作為設(shè)計(jì)的重點(diǎn)內(nèi)容?，F(xiàn)階段公路橋梁項(xiàng)目中的減隔震裝置主要包括分層橡膠支座、互動(dòng)摩擦式支座、鉛芯橡膠支座、鋼阻尼器、摩擦擺減隔震支座、雙曲面球型減隔震支座等幾種類型。

根據(jù)實(shí)際情況，設(shè)計(jì)人員在該項(xiàng)目設(shè)計(jì)中最終選擇摩擦擺減隔震支座裝置，該裝置通過鐘擺原理，經(jīng)滑動(dòng)界面之間的相互摩擦來消耗地震所產(chǎn)生的能量，最終降低地震力對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性的影響。鉛芯橡膠支座也是實(shí)現(xiàn)減隔震的主要手段，該構(gòu)件主要包括滑動(dòng)塊、滑動(dòng)曲面、抗滑螺栓、限滑塊、上座板與下座板等幾個(gè)構(gòu)件，在結(jié)構(gòu)物重力與外力作用下會(huì)促使構(gòu)件阻尼塑性變形，在變形發(fā)生后會(huì)吸收大量能量，最終維持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性；同時(shí)受橡膠結(jié)構(gòu)的影響，該構(gòu)件可以為裝置恢復(fù)作用力提供支持。

1.6 混凝土設(shè)計(jì)方案

混凝土設(shè)計(jì)方法的可行性關(guān)乎公路橋梁結(jié)構(gòu)性能，在設(shè)計(jì)方案中樁身混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度選擇C30等，并摻加緩凝高效減水劑等材料。所以案例項(xiàng)目中混凝土適配初凝時(shí)間大于等于30min，終凝時(shí)間小于10h；設(shè)計(jì)坍落度18～20cm，混凝土的和易性良好，其砂率最高為50%。

2 關(guān)鍵施工工藝分析

在橋梁基礎(chǔ)施工過程中，應(yīng)根據(jù)工程地質(zhì)實(shí)際情況選擇施工方案，根據(jù)地質(zhì)剖面圖選擇合理的施工工藝。案例工程項(xiàng)目在橋梁工程施工中選擇了鉆孔灌注樁的施工工藝方案。

2.1 搭設(shè)施工平臺(tái)

為滿足施工要求內(nèi)容，在承臺(tái)安裝回旋鉆機(jī)，選擇槽鋼搭設(shè)施工平臺(tái)，將材料焊接后將其制作成箱梁，并在上方鋪設(shè)一層15×15的施工平臺(tái)。

2.2 埋設(shè)護(hù)筒

案例項(xiàng)目中埋設(shè)護(hù)筒直徑比樁徑大30mm左右，在將端部位置打入土層中后，檢查有無漏水情況，該項(xiàng)目中護(hù)筒的埋設(shè)深度控制在3～4m。在埋設(shè)護(hù)筒之后，在外側(cè)回填黏土并做分層夯實(shí)；護(hù)筒的高度應(yīng)高出地面0.3～0.5m。

2.3 反循環(huán)施工的工藝流程

在反循環(huán)施工模式下，設(shè)備的主體可在旋轉(zhuǎn)盤離開30m的位置進(jìn)行操作；在操作過程中鉆挖的鉆頭不需要每次上下排棄鉆渣，只需要在鉆頭上方連接長(zhǎng)鉆桿后做深層次開挖。

在規(guī)劃現(xiàn)場(chǎng)時(shí)需要優(yōu)先考慮到排水、清渣以及沖洗液循環(huán)等方面的要求，確保在反循環(huán)施工中沖洗液的循環(huán)效果良好，并且污水徹底排放。在清水鉆進(jìn)時(shí)應(yīng)注意清除鉆渣；泥漿鉆進(jìn)期間可采用旋流除砂器或者多級(jí)振動(dòng)篩等裝置強(qiáng)化清渣效果。鉆頭的吸水?dāng)嗝鎽?yīng)保證規(guī)整、敞開，確保能夠有效控制流阻，避免發(fā)生礫石等物品堆積。

嚴(yán)格控制鉆頭體吸口端與底層之間的距離，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，案例項(xiàng)目中將兩者之間的距離控制在250mm以內(nèi)。鉆挖過程中卵石、填石的尺寸應(yīng)小于等于鉆桿內(nèi)徑的4/5，避免因?yàn)樵摂?shù)據(jù)超標(biāo)而影響正常的施工過程。

施工開始之后，砂石泵啟動(dòng)，在確認(rèn)反循環(huán)正常后啟動(dòng)鉆機(jī)，將鉆頭緩慢下放至底部。鉆進(jìn)期間保持先輕壓慢轉(zhuǎn)，在確定鉆進(jìn)正常后再逐漸提升鉆進(jìn)速度的施工方法，滿足正常施工要求。鉆進(jìn)施工中需要施工人員認(rèn)真檢查砂石泵排水出渣問題，若工況檢查發(fā)現(xiàn)排量減少或者水中的鉆渣數(shù)量明顯增加，為保證施工質(zhì)量則需要嚴(yán)格控制鉆進(jìn)速度，避免因?yàn)檠h(huán)液比重偏高而導(dǎo)致反循環(huán)施工過程中斷。同時(shí)，在鉆進(jìn)期間應(yīng)結(jié)合地層、樁徑等數(shù)據(jù)選擇正確的施工工藝，根據(jù)施工要求，案例項(xiàng)目嚴(yán)格按照表3的相關(guān)數(shù)據(jù)控制鉆進(jìn)的相關(guān)數(shù)據(jù)。

根據(jù)表3的相關(guān)數(shù)據(jù)，在嚴(yán)格控制鉆頭鉆進(jìn)的相關(guān)數(shù)據(jù)之后，根據(jù)工況采用了間斷鉆進(jìn)的施工方法，尤其是在加接鉆桿時(shí)可暫停鉆進(jìn)過程，將鉆具提升100mm后，維持沖洗液循環(huán)2min，確?？梢缘谝粫r(shí)間將孔底的鉆渣清理干凈，保證鉆進(jìn)施工順利進(jìn)行。

表3 鉆進(jìn)施工中的參數(shù)資料表

當(dāng)鉆進(jìn)達(dá)到設(shè)計(jì)深度后停止鉆孔，其中依然要關(guān)注沖洗液是否正常循環(huán)，直至沖洗液返出的鉆渣含量小于等于4.0%為止。

2.4 樁基礎(chǔ)施工中的常見技術(shù)問題與應(yīng)對(duì)措施

案例項(xiàng)目在施工中采用了鉆孔灌注樁的施工工藝，根據(jù)該項(xiàng)目的施工經(jīng)驗(yàn)，在施工過程中可能遇到以下技術(shù)問題，不容忽視。

2.4.1 漏漿問題

在采用鉆孔灌注樁施工中，在打到基巖時(shí)經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)以下漏漿現(xiàn)象：

第一，孔內(nèi)泥漿流失速度偏快，尤其是地面孔口位置出現(xiàn)了坍塌，最終形成漏斗，若在這種工況下施工不僅無法保證施工質(zhì)量，嚴(yán)重情況下會(huì)造成施工安全事件。

第二，案例地區(qū)的地表水豐富，在施工中可能出現(xiàn)裂隙水流入孔中的現(xiàn)象，最終改變孔中泥漿的配合比，并加重孔底沉渣問題，無法有效返漿，最終影響施工質(zhì)量。

針對(duì)工程項(xiàng)目施工中存在的問題，技術(shù)人員采取了以下應(yīng)對(duì)措施，如快速向孔內(nèi)補(bǔ)充泥漿液，回填塊石、黏土，或者在孔內(nèi)采用反復(fù)沖擊的方法提升護(hù)壁強(qiáng)度等，這種方法在處理漏漿問題時(shí)發(fā)揮著重要作用。

2.4.2 坍塌問題

當(dāng)發(fā)生嚴(yán)重的漏漿現(xiàn)象后，若孔壁無泥漿護(hù)壁或者效果不理想會(huì)造成坍塌問題，孔壁坍塌對(duì)施工質(zhì)量的影響不容忽視，所以該項(xiàng)目中針對(duì)可能出現(xiàn)的孔壁坍塌問題做好應(yīng)對(duì)，如預(yù)備好鋼護(hù)筒或者通過雙套護(hù)筒的方法進(jìn)行施工。例如在橋梁施工中使用雙套護(hù)筒施工方法，其中第一套護(hù)筒外徑與樁徑相比大3級(jí)，將其下放至黏土層中，護(hù)筒底部經(jīng)水泥砂漿做固結(jié)止水處理；第二套護(hù)筒比樁徑大1級(jí)，將其下放至基巖上避免坍塌。若已經(jīng)發(fā)生坍塌問題則需要及時(shí)拔除護(hù)筒并移動(dòng)鉆機(jī)，向空中拋入一定量的泥包混合料等材料。同時(shí)，技術(shù)人員在現(xiàn)場(chǎng)加工一個(gè)直徑大于樁徑2級(jí)的鋼筋籠，將鋼筋籠下放至孔洞中，用袋裝黏土堆砌。

2.4.3 卡鉆問題

造成卡鉆現(xiàn)象的主要原因是溶洞分布不明確，導(dǎo)致鉆孔施工期間鉆到離溶洞頂板較近時(shí)采用高落程沖擊施工的方法，最終使鉆頭可以沖破頂層巖石并卡在不同部位。在發(fā)生卡鉆等現(xiàn)象時(shí)嚴(yán)禁強(qiáng)行提拉，一般可根據(jù)實(shí)際情況做針對(duì)性處理，例如當(dāng)鉆頭卡在頂板巖石中間時(shí)可緩慢上下活動(dòng)鉆頭，若發(fā)現(xiàn)鉆頭松動(dòng)后可緩慢提出；或者選擇自制正繩器拉正鉆頭再緩慢提起。若鉆頭卡在頂板巖石的下方位置，則可通過大鉆頭破壞巖石后再提出；或者通過鋼絲繩將小鉆頭下吊至預(yù)定位置之后破碎巖層，最終將巖層下方的鉆頭提出。

2.4.4 孤石現(xiàn)象

根據(jù)案例項(xiàng)目的實(shí)際情況，發(fā)現(xiàn)孤石也是施工中不容忽視的問題，針對(duì)孤石可選擇拋填硬度相似的卵石或者片石，再將鉆機(jī)移向孤石的一側(cè)做高沖程沖擊；而針對(duì)孤石硬度較高的情況做孔內(nèi)爆破施工，通過定向聚能爆破等方法，根據(jù)孤石硬度、大小等選擇用藥量，直至有效解決孤石問題。

3 結(jié)語

公路橋梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工管理有助于全面提升橋梁性能，以上介紹的案例工程項(xiàng)目所采取的設(shè)計(jì)與施工方案在技術(shù)上具有可行性，能夠在最大限度上提升橋梁結(jié)構(gòu)性能，在進(jìn)行橋梁設(shè)計(jì)后可以顯著增強(qiáng)橋梁的抗震性能，橋梁施工過程中的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)問題也得到了有效解決，對(duì)于類似公路橋梁設(shè)計(jì)與施工指導(dǎo)有一定的指導(dǎo)作用，應(yīng)該得到相關(guān)人員的重視。